PEM Elektrolizörler İçin Düşük Platin Yüklemeli Serya Kompozit Destekli Elektrokatalizörlerin İncelenmesi

PEM elektrolizörlerindeki hidrojen gaz çıkışı (HER), hidrokarbonlardan bağımsız enerji üretiminde oldukça önemli olan bir elektrokimyasal tepkimedir. Ancak hidrojen gaz çıkışı için kullanılan platin gibi pahalı soy metaller PEM elektrolizörlerin maliyetini yükseltmektedir. Aynı zamanda bu elektrolizörlerde kullanılan elektrokatalizörlerin asidik ortamda kararlılığını da koruması ayrıca önemli bir noktadır. Bu çalışmada PEM elektrolizörlerde hem Pt oranını düşürebilmek hem de asidik ortamda kararlılığı korumak için alternatif olarak kompozit katalizörlerin geliştirilmesi düşünülmüştür. Bu bağlamda, düşük Pt yüklemeli ve yüksek Fe ve Ni içerikli serya kompozit destekli elektrokatalizörler (Pt/FexCeyOz, Pt/NixCeyOz) emdirme-hidrotermal tekniği ile sentezlenerek farklı indirgenme sıcaklıklarında (400oC ve 800oC) ısıl işlemden geçirilmiştir. Elde edilen elektrokatalizörlerin HER aktiviteleri, kararlılıkları döngülü voltammetri (CV), kronoamperometri (CA) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri ile analiz edilip kıyaslanmıştır. Döngülü voltammetri çalışmalarında 400 oC’de indirgenmiş katalizörler 800 oC’deki katalizörlere göre daha yüksek elektrokimyasal aktivite sergilemiştir. Elektrokimyasal analizler sonunda hidrojen gaz çıkışı açısından en yüksek aktivite ve en düşük faradaik direnç 400 oC’de indirgenmiş Pt/FexCeyOz ile elde edilmiştir. İndirgenme sıcaklıklarına bağlı elektrokimyasal farklılıkların kompozit destek içindeki seryum oksit ve metal oksit parçacıklarının farklı indirgenme sıcaklıklarında oluşturabileceği farklı bileşiklerden ve parçacık büyüklüklerinden kaynaklandığı düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler:

Serya, elektrolizör, PEM, elektrokatalizör, hidrojen

Investigation of Low Platinum Loaded Serya Composite Supported Electrocatalysts for PEM Electrolysers

Hydrogen Evolution Reaction (HER) in PEM electrolysers is an important electrochemical reaction which is very important in hydrocarbon-independent energy production. However, expensive noble metals such as platinum used for hydrogen evolution reaction increase the production cost of PEM electrolysers. In addition, it is also important to maintain the stability of the electrocatalysts in an acidic environment used in these electrolysers. In this study, it is aimed to develop alternative composite catalysts in PEM electrolysers to reduce both the Pt ratio and increase the stability of electrocatalyst in an acidic environment. In this context, low Pt loading and high Fe and Ni content ceria composite supported electrocatalysts (Pt/FexCeyOz, Pt/NixCeyOz) were synthesized by the impregnation-hydrothermal technique and pretreated at different reduction temperatures (400 oC and 800 oC). HER activities of the electrocatalysts were analyzed and compared with cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry (CA) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). During cyclic voltammetry studies, catalysts pretreated at 400 oC showed higher activity than the catalysts at 800 oC. highest HER activity lowest faradaic resistance were achievedwith Pt/FexCeyOz reduced at 400 oC. It is believed that the activity changes in different heat treated electrocatalysts are due to the formation of different compounds between cerium and transition metal and different particle sizes of cerium oxide and metal oxide particles at different reduction temperatures.

Keywords:

Ceria, electrolyzer, PEM, electrocatalyst, hydrogen,

PDF

___

Coutanceau, C., Baranton, S., Audichon, T., 2017. Hydrogen Electrochemical Production. Academic Press.
Dominguez-Crespo M. A., Torres-Huerta A. M., Brachetti-Sibaja B., & Flores-Vela, A., 2011. Electrochemical performance of Ni–RE (RE= rare earth) as electrode material for hydrogen evolution reaction in alkaline medium. International Journal of Hydrogen Energy. 36;1:135-151.
El-Taib Heakal F., Tantawy N.S., Shehata O.S., 2012. Influence of cerium (III) ions on corrosion and hydrogen evolution of carbon steel in acid solutions. International journal of hydrogen energy. 37:19219-19230
Liao L.W., Li M.F., Kang J., Chen D., Chen Y., Ye S., 2013. Electrode reaction induced pH change at the Pt electrode/electrolyte interface and its impact on electrode processes. Journal of Electroanalytical Chemistry. 688: 207–215
Magdic, K., Kvastek, K., & Horvat-Radošević, V., 2015. Impedance approach to activity of hydrogen evolution reaction on spatially heterogeneous GC electrode surfaces: metal free vs. Ru catalysed case. Electrochimica Acta. 167: 455-469.
Marcelo C., Fritz D.L., Mergel J., Stolten D, 2013. A comprehensive review on PEM water electrolysis. International journal of hydrogen energy. 38:4901-4934
Mingyong W., Zhi W., Xuzhong G., Zhancheng G., 2014. The intensification Technologies to water electrolysis for hydrogen production, review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 29:573–588.
Van de Goor C., Li Z., Mul G., 2013. Influence of temperature and pH on the hydrogen evolution reaction (HER) on platinum,the photocatalytic synthesis (pcs) group, univercity of twente.
Wang J. X., Zhang Y., Capuano C. B., Ayers K. E., 2015. Ultralow charge-transfer resistance with ultralow Pt loading for hydrogen evolution and oxidation using Ru@Pt core-shell nanocatalysts. Nature, Scientific Reports. 5:12220.
Wei Z.D., Yan A.Z., Feng Y.C., Li L., Sun C.X., Shao Z.G., Shen P.K., 2007. Study of hydrogen evolution reaction on Ni-P amorphous alloy in the light of experimental and quantum chemistry. Electrochem Commun. 9:2709-2715